Page 8 - 水利学报2021年第52卷第4期
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相关研究基于 Preissmann 狭缝的激波捕捉法，尝试用同一组控制方程来描述明流和满流                                  ［21］ 。（4）城市
               排水系统相关理论及模型仍有待进一步完善，比如，对于管网和地表两个部分的汇水顺序，一种方
               式将降雨形成径流汇入管网系统进行一维非恒定流计算，对从管网中溢出的水在地表进行二维非恒
               定流计算；另一种方式是将所有的降雨在地表进行二维非恒定流计算，在有检查井的区域再汇入管
               网进行一维非恒定流计算            ［22］ 。部分雨水汇入低洼地甚至城市的地下空间，部分雨水通过管网排入河
               流，但在与河流洪水遭遇的情况下，可能出现顶托倒灌。因此，城市洪涝过程模拟中，要考虑因涝
               成洪和因洪致涝等现象。在利用浅水模型来描述地表淹没时，有研究采取耦合管网模型的方法进行
               计算，也有研究将管网概化到模型参数中                   ［23-25］ 。模型中除了要考虑管网、河网、路面、建筑的复杂连
               接外，城市水系中还有水闸、泵站、水库等可调控设施，这些水工建筑物一般有相应的调度运行方
               案，它们对计算结果有较大的影响。
               2.3  水文水动力耦合模型            在对城市洪涝过程进行模拟时，单独使用水文模型或水动力模型均存在
               一定的不足。水文模型充分描述了降雨产汇流过程，水文过程的结果对洪涝计算影响较大，且在二
               维模型连续性方程中的源汇项要反映地表渗流造成的水量损失                              ［26］ 。传统水文学方法对城市地表淹没
               过程较难描述，而水动力模型通过求解控制水流运动的偏微分方程，可以得到洪涝中的淹没水深、
                                                ［8］
               淹没范围、淹没历时等时空分布信息 ，可以实现对河道泥沙运移及污染物冲刷扩散等过程的模拟。
               水动力模型往往需要精确的河道地形数据，在二维模型中的计算效率较慢                                    ［27］ 。因此，综合利用水文
               模型与水动力模型，互相弥补其不足，建立城市水文水动力耦合模型是城市洪涝过程模拟的必由之路。
                   总体来说，按两套模型耦合方式的不同，可以将水文水动力耦合模型大致分为三类：（1）将水文
               模型计算得到的流量作为水动力模型的上边界或旁侧入流。这种耦合模式可以称为松散耦合，或单
               向耦合、外部耦合。该模式可操作性强，通过建立水文模型和水动力模型之间某些变量的联系来实
               现耦合。但是，这种模式对真实的管网-地表-河道水量交互机制做了较大程度的概化                                         ［28-29］ 。考虑城
               市子流域出口断面的流量过程作为城市管网与城市河网的边界条件，这被称作点状耦合边界。但是
               这种耦合模式将地表漫流导致的淹没概化为管网溢出水流在出水口的扩散过程，以及在管道水量消
               退后，溢出水量又回流到管道的过程。相关研究针对此类问题提出线状耦合边界和面状耦合边界，
                                                                                                 ［7］
               分别通过设置不同类型的耦合边界形式来描述街道入流过程与地表局部低洼区的淹没过程 。（2）在
               水文模型和水动力学模型之间共享边界条件、模型参数等数据，但两个模型独立求解、互不影响。
               这种耦合模式比第一种更为紧密，称为内部耦合。（3）将水文模型和水动力学模型作为一个整体统筹
               考虑，对控制方程联立求解。这种耦合模式称为紧密耦合，或双向耦合、全耦合。紧密耦合在机理
               上最为完善，但联立求解方程组的难度较大。通过紧密耦合实现多过程的交互，进而实现模拟复杂
               的洪涝过程是洪涝模型的重要发展趋势。
                   考虑到城市下垫面的复杂性，在建立水文水动力耦合模型时需要包括以下基本模块。（1）基础模
               块：包括产汇流模块和水动力模块。产汇流模块由子流域上的降水、蒸散发、下渗、截留、填洼、
               坡面汇流等模块组成；水力模块由一维管网、一维河网、二维地表汇流等模块构成；（2）衔接模块：
               主要包括检查井与地表的衔接、河道与地表的衔接、一维水动力与二维水动力的衔接；（3）功能模
               块：主要包括闸、泵、堰等水力模块，以及实现实时调度控制的 RTC（Real-Time Control）模块。水文
               水动力耦合模型需要考虑的因素、不同模块之间的相互关系与耦合机理如图 1 所示。
               2.4  典型城市洪涝模型           表 1 列举了目前部分国内科研单位自主研发的城市洪涝模型及其主要特
               点。其中包括中国水利水电科学研究院开发的洪涝仿真模型                            ［30-34］ 和洪水风险分析软件 FRAS       ［35］ ，珠江
               水利科学研究院开发的 HydroMPM 模型            ［36］ ，西安理工大学与英国纽卡斯尔大学联合开发的 GAST 模型                     ［37］
               与大连理工大学开发的 HydroInfo 模型           ［38］ 。另外，不少单位依托洪水风险图编制项目，研发了洪水分
               析软件，如中国水科院联合多家单位共同研发了 IFMS/Urban 软件                       ［39-40］ 。
                   表 2 列举了目前常用的国外研发的城市洪涝模型，这些模型软件的应用为计算分析城市洪涝过程
               提供了帮助。按照公开程度的不同，这些模型大致可以分为三类：（1）完全开源的模型，以 SWMM 模
               型为代表。SWMM 模型是由美国 EPA（Environmental Protection Agency，环境保护署）推出的城市洪涝

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